KR102100728B1 - 둥근 출력빔을 가진 고효율, 단일-패스, 고조파 발생기 - Google Patents

둥근 출력빔을 가진 고효율, 단일-패스, 고조파 발생기 Download PDF

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Abstract

추가 공동 고조파 발생기 시스템은 근소하게 둥글고, 비점수차가 아닌, 회절 제한 입력 기본빔으로부터 둥글고, 비점수차가 아닌 제 3 고조파 출력빔을 생산할 수 있다. 이 시스템은 제 2 고조파 발생 결정을 포함할 수 있다. 입력 기본빔 크기는 SHG 결정 입력 표면에서 SHG 결정에 대한 비-워크오프 방향에서 확대된다. 더 높은 고조파 발생 결정은 HHG 결정에 대한 비-워크오프 방향에서 비스듬한 입사각에 배향된 출력 표면을 가져서 더 높은 출력빔 크기는 이 방향에서 축소된다. SHG 결정 입력 표면에서 입력 기본빔의 확대는 HHG 결정 출력 표면에서 제 3 고조파빔의 축소를 초과한다.

Description

둥근 출력빔을 가진 고효율, 단일-패스, 고조파 발생기{Highly Efficient, Single-Pass, Harmonic Generator with Round Output Beam}
본 발명은 비선형 광학 및 더욱 구체적으로 둥근 출력빔을 생산하는 고조파 발생기 시스템에 관한 것이다.
파장-변환 레이저 시스템은 소스 레이저에 의해 발생된 적외선 입력빔으로부터 가시광선 파장 출력빔을 발생시키도록 붕산리튬(LBO)과 같은 비선형 광학 결정을 주로 사용한다. 제 2 고조파 발생(SHG)에서, 예를 들어, 결정에서 일어나는 비선형 과정은 입력 적외선 복사에너지의 주파수의 2배를 가진 가시광선 출력 복사에너지의 광자를 생산하도록 적외선 입력 복사에너지의 2개의 광자를 결합한다. 제 3 고조파 발생(THG)에서, 제 2 고조파 발생은 적외선 입력의 광자와 SHG 출력의 광자를 결합하도록 상 일치되는 추가 비선형 광학 결정과 결합되어 적외선 입력 복사에너지의 주파수의 3배를 가진 제 3 고조파 발생(THG) 출력을 생산한다.
LBO와 같은 비선형 결정은 주로 비등방성 굴절률을 특징으로 하며 이것은 파장-변환 출력빔의 형태에 영향을 미친다. 비등방성 굴절률은 반사률이 결정에서 복사에너지의 전파와 편광의 방향에 의존한다는 것을 의미한다. 비편광된 빔이 이런 결정 속으로 주입되는 경우, 통상적으로 이중 반사를 나타낼 것이다: 빔은 동일직선상에 있지 않으나 전파 방향이 워크-오프(walk-off) 각도로 불리는 각도에 의해 차이가 나는 2개의 편광 빔으로 나뉠 것이다.
LBO와 같은 비등방성 굴절률을 가진 결정이 제 2 고조파 발생에 사용될 때, 빔들 사이에 워크-오프가 존재할 것이다. 출력빔이 입력빔에 대응하여 워크-오프 각도에서 이동하며 또는 입력빔 자체가 이중 반사가 진행되어, 2개의 빔으로 나뉘며, 이의 하나는 워크-오프 각도에서 전파된다. 워크-오프 때문에, 출력빔은 왜곡되고 입력빔과는 다른 형태로 종료된다. 통상적으로 입력빔은 원형이고 출력빔은 타원형이다.
상업적으로 실행가능한 제 3 고조파 시스템은 바람직하게는 다음 특성들 중 전부 또는 대부분을 가질 것이다. 이런 시스템은 신뢰할 수 있고 수천 시간의 핸즈-오프(hands-off) 작업을 제공할 것이다. 모드 품질, 빔 포인팅 및 빔 위치와 같은 출력 변수는 장시간 동안 일정하거나 거의 일정하게 유지될 것이다. 이런 시스템에 의해 생산된 제 3 고조파빔은 둥글 것이다. 이 빔은 최소 비대칭, 예를 들어, 약 15% 미만을 가질 것이다. 빔은 최소 비점수차, 통상적으로 레일리 길이의 <20%를 가질 것이다. 이 빔은 회절 제한 가우시안 빔, 통상적으로 M2<1.3에 가까울 것이다. 출력빔은 스펙트럼적으로 순수할 것인데, 즉 잔여 기본 및 제 2 고조파 광이 제 3 고조파 파워의 <1%일 것이다. 이 시스템은 기본 복사에너지를 약 30% 초과, 바람직하게는 약 40% 초과의 효율을 가진 제 3 고조파로 변환할 것이다. 제 3 고조파 발생을 위한 광학 레이아웃은 또한 쉽게 최적화될 수 있고 비교적 간단한 광학 구성요소를 함유할 수 있다. 이 시스템은 펄스 반복 주파수와 펄스 폭의 넓은 작동 범위에 걸쳐 유연하게 작동할 것이다.
제 3 고조파 출력이 높은 파워이며, 큰 부피의 재료를 효과적으로 처리하기 위한 적어도 알맞은 에너지 펄스를 가진 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 평균 파워는 1W 초과, 바람직하게는 10W 초과일 것이며 더 높은 파워로 증가할 가능성을 가진다. 펄스 에너지는 약 1 마이크로주울(μJ) 초과, 바람직하게는 10μJ 초과일 것이며 더 높은 펄스 에너지로 증가할 가능성을 가진다.
현재, 고객을 타협하게 하고 제 3 고조파 시스템의 응용분야를 제한하는 모든 이런 상업적 필요조건을 충족할 현존하는 해결책은 없다.
제 3 고조파 발생에 대한 종래 기술의 대부분은 공동내 시스템(intra-cavity system)을 다룬다. 공동내 시스템에서, 제 3 고조파 발생은 2개의 반사 표면에 의해 형성된 공진기 공동 내에서 발생한다. 레이저 시스템을 위한 광학 이득 매질이 하나 이상의 비선형 광학 결정과 함께 공도 내에 위치된다. 광학 이득 매질은 비선형 광학 결정에서 주파수 변환이 일어나는 기본 복사에너지를 생산한다.
월리암 그로스만의 미국특허 5,850,407은 레이저 공동 내에 타입 I 제 2 고조파 발생(SHG) 결정과 뒤이은 타입 II 제 3 고조파 발생(THG) 결정을 개시한다. 이 참조문헌은 제작된 붕산리튬(LBO) 비선형 결정을 사용하여 출력 표면이 기본 및 제 3 고조파빔에 대해 정확하게 브르스터 각도에 있는 제 3 고조파의 공동내 발생을 개시한다. 이 시스템에서, 출력 표면은 기본빔에 대한 브르스터 각도에 있어야 하는데 이는 그렇지 않으면 기본 공동은 추가 손실이 일어날 수 있기 때문이다. 브르스터 표면은 3개의 기능을 제공한다. 첫째, 각이 진 계면 상에서의 분산에 의해 기본, 제 2 고조파 및 제 3 고조파의 파장 분리를 제공한다. 둘째, IR 및 UV광에 대한 거의 제로의 손실을 제공한다. 셋째, 높은 손실-임계값 표면을 제공한다. 불행하게도, 미국특허 5,850,407의 시스템은 타원형 입력빔을 제공하며 높은 단일-패스 변환 효율을 제공하지 않는다. 낮은 단일-패스 변환 효율은 Q-스위치된 공동내 고조파 발생에서 문제가 되지 않는데 이는 기본빔이 공진기 공동에서 재순환하기 때문이다. 또한, 공동내에서만 효과적으로 작동하기 때문에, 시스템은 유연하지 않으며 이는 Q-스위치된 레이저는 좁은 범위의 작동 변수에서만 작동하기 때문이다.
매우 크고 둥근 입력 기본빔의 경우, 낮은 효율 제한에서, 브르스터-브르스터 디자인(즉, 비선형 결정의 입력 및 출력 표면 모두가 브르스터 각도 표면인 것)이 둥근 UV빔을 발생시킨다는 것을 유의한다. 이것은 필수적으로 5,850,407 특허에 기술된 시스템에 대한 작동 지점이다. 브르스터-브르스터 디자인은 공동내 삼중 시스템에서 유용한 반면, 단일 패스 변환 효율은 추가 공동 고조파 발생에 너무 낮다.
다른 예는 미국특허 7,016,389에 기술된다. 이 특허는 일반적으로 브르스터 각도보다 작은 제 3 고조파 결정의 배출 표면상의 쐐기를 제작하는 것을 논의한다. 다시 이 디자인은 공동내 고조파 발생 시스템을 위한 것이다. 추가 공동 디자인은 효율적인 고조파 발생을 위한 공동내 디자인보다 비선형 결정에서 입력빔의 더 밀집된 초점을 필요로 한다.
미국특허 7,170,911은 브르스터 각이 진 출력 표면으로 제작된 추가 공동 제 3 고조파 비선형 결정을 기술한다. 선택적으로 이런 시스템은 직각 또는 거의 직각 입사 출력 표면에서 반사를 줄이는데 적합한 코팅으로 제작될 수 있다. 그러나, 자외선 복사에너지의 상당한 흐름을 수용하는 표면상에 이런 코팅을 입히는 것은 바람직하지 않다.
본 발명의 실시태양이 본 발명 내에 나타난다.
본 발명은 상기 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 양태는 비선형 출력 표면에 대한 비스듬한 입사각을 사용하여 단일 패스, 추가 공동 광학 레이아웃을 가진 둥글고, 비점수차가 아닌, 제 3 고조파 출력빔을 효과적으로 생산할 수 있는 장치에 관한 것이다.
추가 공동 고조파 발생기 시스템은 근소하게 둥글고, 비점수차가 아닌, 회절 제한 입력 기본빔으로부터 둥글고, 비점수차가 아닌 제 3 고조파 출력빔을 생산하도록 구성될 수 있다. 이 시스템은 제 2 고조파 발생(SHG) 결정 및 제 3 고조파 발생(THG) 결정을 포함할 수 있다. SHG 결정은 입력 기본빔으로부터 제 2 고조파빔을 발생시키도록 구성된다. THG 결정은 제 2 고조파빔으로부터 제 3 고조파빔을 발생시키고 SHG 결정으로부터 잔여 기본빔을 발생시키도록 구성된다. SHG 결정은 입력 기본빔에 대한 입사각에 배향된 입력 표면을 가진다. 기본빔 크기는 입력 표면에서 SHG 결정에 대한 비-워크오프 방향에서 확대된다. THG 결정은 THG 결정에 대한 비-워크오프 방향에서 비스듬한 입사각에 배향된 출력 표면을 가져서 제 3 고조파빔 크기는 이 방향에서 축소된다. SHG 결정의 입력 표면에서 입력 기본빔의 확대는 THG 결정의 출력 표면에서 제 3 고조파빔의 축소를 초과한다.
이 개념은 더 높은 차수의 고조파 복사에너지, 예를 들어, 제 4 고조파 또는 그 이상의 발생을 필요로 하는 고조파 발생기 시스템으로 확장될 수 있다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.
본 발명의 교시는 첨부된 도면과 함께 다음 상세한 설명을 고려함으로써 쉽게 이해될 수 있다.
도 1은 제 3 고조파 발생에 대한 기본적인 종래 기술의 광학 레이아웃을 묘사하는 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 양태에 따른 제 3 고조파 발생을 위한 광학 레이아웃의 개략도이다.
도 2b는 본 발명의 양태에 따른 제 3 고조파 발생을 위한 선택적인 광학 레이아웃의 개략도이다.
도 3은 1.6의 굴절률을 가진 재료(통상적으로 LBO)에 대한 입사각의 함수로서 팽창비의 그래프이다.
도 4는 1의 최초 굴절률(공기) 및 1.6의 최종 굴절률(통상적으로 LBO)을 가진 코팅되지 않은 표면에 대한 입사각의 함수로서 "p" 및 "s" 편광에 대한 반사 손실의 그래프이다.
도 5는 빔 발산보다 큰 기본, 제 2 고조파 및 제 3 고조파 사이의 각 분리를 제공하는 THG 결정 입력 표면상의 최소 내부 각도의 그래프이다.
도 6은 본 발명의 양태에 따른 파장 변환 레이저 시스템의 개략적 도표이다.
도 7은 본 발명의 양태에 따른 제 3 고조파 발생 시스템에서 다른 위치에서 단면 빔 형태를 예시하는 개략도이다.
비록 다음 상세한 설명은 예시 목적으로 여러 구체적인 세부사항을 함유하나, 당업자는 다음 세부사항에 대한 여러 변화 및 변경은 본 발명의 범위 내에 있다는 것을 알 것이다. 따라서, 아래 기술된 본 발명의 실시태양은 청구된 발명에 대한 일반성의 어떠한 손실 없이 그리고 제한을 부여함이 없이 설명된다.
다음 상세한 설명에서, 본 발명의 일부를 형성하며 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시태양이 예로서 도시되는 첨부된 도면을 참조한다. 이와 관련하여, "상부", "하부", "전면", "후면", "선도하는", "뒤따르는" 등과 같은 방향 용어는 기술될 도면(들)의 배향을 참조하여 사용된다. 본 발명의 실시태양의 구성요소들은 여러 다른 배향으로 위치될 수 있기 때문에, 방향 용어는 예시 목적으로 사용되며 결로 제한적이지 않다. 다른 실시태양은 사용될 수 있고 구조적 또는 논리적 변화는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 다음 상세한 설명은 제한적인 면으로 해석되지 않으며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의해 정해진다.
또한, 농도, 양 및 다른 수치 데이터는 범위 형식으로 본 발명에 제공될 수 있다. 이런 범위 형식은 단순히 편리함과 간편함을 위해 사용되며 범위의 제한으로서 명백하게 언급된 수치 값뿐만 아니라 각 수치 값과 하부 범위가 명백하게 언급된 것과 같이 그 범위 내에 포함된 모든 개별 수치 값 또는 하부 범위를 포함하도록 유연하게 해석되어야 한다. 예를 들어, 약 1nm 내지 약 200nm의 두께 범위는 약 1nm 내지 약 200nm의 명백하게 언급된 범위뿐만 아니라 2nm, 3nm, 4nm와 같으나 이에 제한되지 않는 개별 크기 및 10nm 내지 50nm, 20nm 내지 100nm 등과 같은 하부-범위를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
용어 해설:
본 발명에 사용된 대로:
비점수차는 두 직각 평면에서 광학 시스템을 통해 전파되는 광선이 다른 초점을 갖는 광학 수차를 의미한다. 비점수차 빔은 y-방향과 다른 방향에서 X-방향에서 허리가 된다. (용어 "허리"는 아래에 정의된다.) 광빔이 위치(Zx)에서 x-허리 반경(W0x) 및 위치(Zy)에서 y-허리 반경(W0y)을 갖는 경우, 비점수차(A)는 허리의 평균 레일리 범위로 나뉜, 허리 위치들 사이의 차이로 정의된다:
Figure 112015099325615-pct00001
여기서
Figure 112015099325615-pct00002
는 평균 레일리 범위이다:
Figure 112015099325615-pct00003
빔 스플리터는 광의 빔을 둘 이상의 부분으로 나눌 수 있는 광학 장치를 의미한다.
공동 또는 광학적으로 공명인 공동은 둘 이상의 반사 표면에 의해 정해진 광학 경로를 의미하며 이 경로를 따라 빛이 왕복 운동하거나 순환할 수 있다. 광학 경로를 교차하는 물체는 공동 내에 있다고 말할 수 있다.
연속파(CW) 레이저는 펄스 레이저에서와 같이, 짧은 분출이 아닌 복사에너지를 연속적으로 방출하는 레어지를 의미한다.
다이오드 레이저는 간섭성 광 출력을 발생시키기 위해 자극된 방출을 사용하도록 설계된 발광 다이오드를 의미한다. 다이오드 레이저는 또한 레이저 다이오드 또는 반도체 레이저로 알려져 있다.
다이오드-펌프 레이저는 다이오드 레이저에 의해 에너지가 공급되는 이득 매질을 가진 레이저를 의미한다.
이득은 증폭기를 통해 한 지점에서 다른 지점으로 전송되는 신호의 강도, 파워 또는 펄스 에너지의 증가를 의미한다. 용어 "불포화 이득(unsaturated gain)"은 증폭기의 반전 수준을 현저하게 변화시키지 않는, 증폭기를 통과하는 작은 신호의 증가를 의미한다. 본 발명에 사용된 이득 및 불포화 이득은 상호교환하여 사용될 수 있다.
이득 매질은 레이저에 대하여 아래 기술된 광학 이득을 발생시킬 수 있는 재료를 의미한다.
석류석은, 예를 들어, 이티륨 알루미늄 석류석(YAG), 가돌리늄 갈륨 석류석(GGG), 가돌리늄 스칸듐 갈륨 석류석(GSGG), 이티륨 스칸듐 갈륨 석류석(YSGG) 등을 포함하는 산화물 결정의 특정 종류를 의미한다.
적외선 복사에너지는 약 700 나노미터(nm) 내지 약 100,000nm 사이의 진공 파장을 특징으로 하는 전자기 복사에너지를 의미한다.
레이저는 복사에너지의 자극된 방출에 의한 광 증폭의 두문자어이다. 레이저는 레이저성 재료를 함유하는 결정이다. 이것은 임의의 재료 -- 결정, 유리, 액체, 반도체, 염료 또는 기체이며 -- 이의 원자는, 예를 들어, 광 또는 전기 방전에 의해 펌핑에 의해 준안정 상태로 여기될 수 있다. 광 방출은 통과하는 광장에 의한 존재로 자극되며, 이는 방출된 광자가 자극하는 광자와 동일한 상과 방향을 갖게 한다. 광(자극된 복사에너지로 불림)은 공동 내에서 발진하며, 공동으로부터 배출된 부분이 출력빔을 형성한다.
광: 본 발명에 사용된 용어 "광"은 일반적으로 대략 약 1 나노미터(10-9 미터) 내지 약 100 마이크론의 진공 파장의 범위에 해당하는 적외선부터 자외선까지 이르는 주파수 범위의 전자기 복사에너지를 의미한다.
M2는 빔 양의 측정값이다. 광의 각 빔은 허리 반경(W0), 발산 절반 각도(θ) 및 파장(λ)으로부터 계산될 수 있는 관련 M2를 가진다. M2의 값은 다음이다:
Figure 112015099325615-pct00004
단지 하나의 가로 모드를 가진 빔 - 즉 완벽하게 가우시안인 빔은 M2 = 1을 가진다. 다중 모드 빔은 M2>1을 가진다. 순수한 가우시안 빔에 허용가능하게 유사한 빔의 경우, 통상적으로 M2<1.3을 필요로 한다.
비선형 효과는 레이저에 의해 생산된 것과 같은 광의 거의 단색, 방향성 빔에 의해서만 통상적으로 볼 수 있는 광학 현상의 한 종류이다. 더 높은 고조파 발생(예를 들어, 제 2-, 제 3- 및 제 4-고조파 발생), 광학 파라메트릭 발진, 합-주파수 발생, 차이-주파수 발생, 광학 파라메트릭 증폭 및 자극 라만 효과가 비선형 효과의 예이다.
비선형 광학 파장 변환 과정은 비선형 광학 과정이며 이에 의해 비선형 매질을 통과하는 소정의 진공 파장(λ0)의 입력광은 매질 및/또는 입력광과 다른 진공 파장을 가진 출력광을 생산하는 방식으로 매질을 통과하는 다른 광과 상호작용한다. 비선형 파장 변환은 비선형 주파수 변환과 동일한데, 이는 두 값이 광의 진공 속도에 의해 연관이 되기 때문이다. 두 용어는 서로 교환가능할 수 있다. 비선형 광학 파장 변환은 다음을 포함한다:
더 높은 고조파 발생(HHG), 예를 들어, 제 2 고조파 발생(SHG), 제 3 고조파 발생(THG), 제 4 고조파 발생(FHG), 등, 입력광의 둘 이상의 광자는 주파수(Nf0)를 가진 출력광을 생산하는 방식으로 상호작용하며, N은 상호작용하는 광자의 수이다. 예를 들어, SHG에서, N=2.
합 주파수 발생(SFG), 주파수(f1)의 입력광 광자는 주파수(f1+f2)를 가진 입력광 광자를 생산하는 방식으로 주파수(f2)의 다른 입력광 광자와 상호작용한다.
차이 주파수 발생(DFG), 주파수(f1)의 입력광 광자는 주파수(f1-f2)를 가진 입력광 광자를 생산하는 방식으로 주파수(f2)의 다른 입력광 광자와 상호작용한다.
비선형 결정의 예는 리튬 니오베이트((LiNbO3), 리튬 트라이보레이트(LBO), 베타-바륨 보레이트(BBO), 세슘 리튬 보레이트(CLBO), 리튬 탄탈레이트, 화학양론적 리튬 탄탈레이트(SLT), 포타슘 티탄일 포스페이트(KTiOPO4, KTP로도 알려짐), 암모늄 이수소 아르세네이트(ADA), 암모늄 이수소 포스페이트(ADP), 세슘 트라이보레이트(CsB3O5 또는 CBO), 중수소 암모늄 이수소 아르세네이트(DADA), 중수소 암모늄 이수소 포스페이트(DADP), 중수소 아르기닌 포스페이트(DLAP), 루비듐 이중-중수소 포스페이트(RbD2PO4 또는 DRDP), 포타슘 알루미늄 보레이트(KABO), 포타슘 이수소 아르세네이트(KDA), 포타슘 이수소 포스페이트(KDP), 중수소 포타슘 이수소 포스페이트(KD2PO4 또는 DKDP), Li2B4O7(LB4), 또는 리튬 포메이트 모노하이드레이트(LFM) 및 이의 동형체, 주기적으로 분극된 리튬 니오베이트(PPLN), 주기적으로 분극된 리튬 탄탈레이트 및 주기적으로 분극된 화학양론적 리튬 탄탈레이트(PPSLT)와 같은 주기적으로 분극된 재료 등을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 광학 섬유는 또한 섬유에 미세구조를 제작함으로써 광학 복사에너지에 대한 비선형 반응을 갖도록 유도할 수 있다.
광학 증폭기는 입력 광학 신호의 파워를 증폭하는 장치를 의미한다. 광학 증폭기는 펌핑 복사에너지에 의해 구동된 이득 매질을 사용한다는 점에서 레이저와 유사하다. 증폭기는 일반적으로 피드백(즉, 공동)이 없어서, 이득을 가지나 발진하지 않는다. 본 발명에 사용된 광학 파워 증폭기는 일반적으로 표적 또는 파장 변환기로 증폭된 빔의 전달 이전 최종 광학 증폭기를 의미한다. 복사에너지 소스와 파워 증폭기 사이의 증폭기 단계는 일반적으로 전치증폭기로 불린다.
상-일치는 거리를 늘리기 위해 다중파동 비선형 광학 공정에 사용된 기술을 의미하며, 이 거리에 걸쳐 파동들 사이의 에너지의 간섭성 전달이 가능하다. 예를 들어, 3개-파동 공정은 k 1 + k 2 = k 3일 때 상-일치된다고 말할 수 있으며, k i는 과정에 참여하는 ith 파동의 파동 벡터이다. 주파수 체배(frequency doubling)에서, 예를 들어, 과정은 기본 및 제 2 고조파 상 속도가 일치할 때 가장 효과적이다. 통상적으로 상 일치 조건은 비선형 재료의 광학 파장, 편광 상태 및 전파 방향의 신중한 선택에 의해 성취된다.
펄스 에너지는 펄스에서 에너지의 양을 의미한다. 펄스 에너지는 펄스 기간 동안 순시 펄스 파워(instantaneous pulse power)를 적분함으로써 계산될 수 있다.
펄스 기간(T)은 일련의 둘 이상의 펄스에서 연속된 펄스의 동일한 지점들 사이의 시간을 의미한다.
펄스 반복 주파수(PRF)는 단위 시간당 반복의 속도를 의미한다. PRF는 기간 T에 대해 역수이며, 예를 들어, PRF = 1/T.
Q는 (2π)x(공진기에 저장된 평균 에너지)/(사이클당 전파된 에너지)로서 정의되는 공진기(공동)의 감도지수(figure of merit)를 의미한다. 광학 공진기의 표면의 반사율이 높으면 높을수록 흡수 손실을 더 낮으며, Q가 높으면 높을수록 원하는 모드로부터의 에너지 손실을 더 작다.
Q-스위치는 광학 공진기의 Q를 빠르게 변화시키는데 사용된 장치를 의미한다.
Q-스위치 레이저는 높은 수준의 역전(광학 이득 및 에너지 저장)이 레이징 매질에서 얻어질 때까지 레이징 작용을 막기 위해 레이저 공동에서 Q-스위치를 사용하는 레이저를 의미한다. 예를 들어, 음향-광학 또는 전기-광학 변조기 또는 포화 흡수체에 의해 스위치가 공동의 Q를 빠르게 증가시킬 때, 큰 펄스가 발생된다.
준-CW는 연속적으로 보이기 위해 충분히 높은 반복 속도에서 펄스의 연속 발생을 의미한다.
준 상-일치(QPM) 재료: 준-상-일치 재료에서, 기본 및 더 높은 고조파 복사에너지는 재료의 비선형 계수의 신호를 주기적으로 변화시킴으로써 상-일치된다. 신호 변화의 기간(k QPM)은 상 일치 방정식에 추가 조건을 부가하여 k QPM + k 1 + k 2 = k 3이다. QPM 재료에서, 기본 및 더 높은 고조파는 동일한 편광을 가질 수 있어서, 주로 효율을 증가시킨다. 준-상-일치 재료의 예는 주기적으로 분극된 리튬 탄탈레이트(PPLT), 주기적으로 분극된 리튬 니오베이트(PPLN), 주기적으로 분극된 화학양론적 리튬 탄탈레이트(PPSLT), 주기적으로 분극된 포타슘 티탄일 포스페이트(PPKTP) 또는 주기적으로 분극된 미세구조 유리 섬유를 포함한다.
자외선(UV) 복사에너지는 가시광선 영역의 진공 파장보다 짧으나 부드러운 X-레이보다 긴 진공 파장을 특징으로 하는 전자기 복사에너지를 의미한다. 자외선 복사에너지는 다음의 파장 범위로 세분될 수 있다: 근UV, 약 380nm 내지 약 200nm; 원 또는 진공 UV(FUV 또는 VUV), 약 200nm 내지 약 10nm; 및 극단 UV(EUV 또는 XUV), 약 1nm 내지 약 31nm.
진공 파장: 전자기 복사에너지의 파장은 일반적으로 파동이 이동하는 매질의 함수이다. 진공 파장은 복사에너지가 진공을 통해 전파되었을 경우 가질 수 있는 소정의 주파수의 파장 전자기 복사에너지이며 주파수에 의해 나뉜 진공에서 빛의 속도에 의해 제공된다.
허리: 가우시안 광학에서 일반적으로, 빔의 허리(w)는 최소 지점에서; 초점에서 빔의 반경을 의미한다. 빔의 반경은 빔의 중심과 강도가 중심에서의 값의 1/e2에 해당하는 지점 사이의 거리로서 정의된다. 빔이 둥글지 않을 때, 빔을 타원형 가우시안에 일치시키고 장축과 단축을 따라 1/e2 거리를 빼냄으로써 얻은, 2개의 허리 또는 허리 반경(w x 및 w y )을 일반적으로 말한다. 특정 방향(즉, x-축을 따라) 빔의 지름 또는 폭은 허리 값의 2배이다: 지름 = 2 w.
서론
도 1은 제 3 고조파 발생기에 사용된 전형적인 광학적 셋업의 개략도를 도시한다. 기본빔(209)이 기본 초점 렌즈(203)를 통과하고 이에 의해 초점이 모인다. 제 2 고조파(SH) 결정(202)은 기본빔 초점에 또는 이의 근처에 놓인다. SH 결정(202)은 입사 기본빔의 일정 부분을 제 2 고조파로 변환한다. 예를 들어 기본빔이 1064nm에 있는 경우 적절하게 조립되고 배향된 제 2 고조파 결정은 LBO일 수 있다. 최총 제 2 고조파는 532nm의 파장을 가질 수 있다. 잔여 기본빔(209') 및 제 3 고조파(323) 빔은 SH 결정(202)의 출력 표면(206)으로부터 나타난다. 나타나는 기본빔(209')은 입사 기본빔(209)보다 낮은 파워를 갖는데, 이는 파워의 일부가 제 2 고조파빔(323)으로 변환되었기 때문이다. 제 2 고조파빔(323)은 기본빔(209')의 광학 주파수 2배와 동일한 주파수를 가진다. 제 2 고조파빔은 기본빔(209')의 진공 파장의 절반인 진공 파장을 가진다고 동일하게 말할 수 있다. 두 빔은 중계 렌즈(205)를 통과하고 이에 의해 초점이 모인다.
제 3 고조파(TH) 결정(302)은 기본 및 제 2 고조파빔 초점에 또는 이의 근처에 놓인다. 빔은 TH 결정(302)에서 적어도 부분적으로 겹쳐진다. TH 결정(302)은 기본빔(209')과 제 2 고조파빔(323)의 혼합물을 제 3 고조파빔(325)으로 변환한다. 제 3 고조파빔(325)은 기본빔의 주파수와 제 2 고조파빔(323)의 주파수의 합과 동일한 광학 주파수를 가진다. 예를 들어 기본빔이 1064nm의 진공 파장에 있고 제 2 고조파빔이 532nm의 진공 파장에 있는 경우 적절하게 제작되고 배향된 제 3 고조파 결정은 LBO일 수 있다. 최종 제 3 고조파빔(325)은 355nm의 진공 파장을 가질 수 있다.
3개의 다른 파장의 빔, 기본(209"), 잔존하는 제 2 고조파(323') 및 제 3 고조파(325)는 TH 결정(302)의 출력 표면(306)으로부터 나타난다. 도 1에서 명확성을 위해, 빔은 공간적으로 옮겨지나, 실제로는 빔은 한정된 공간 크기를 가져서 공간적으로 겹쳐질 수 있다.
도 1은 기본 제 3 고조파 발생 시스템을 도시하는 반면 여러 가능한 변화가 존재한다. 예를 들어, SH 및 TH 결정은 평행육면체 또는 프리즘으로 제작될 수 있다. 또한, 빔은 입구로 입사될 수 있고 비스듬한 각도로 결정 표면을 빠져나온다. 초점 요소의 다른 형태, 예를 들어 굽은 거울이 빔을 모으기 위해 렌즈 대신에 사용될 수 있다.
여러 인자가 제 3 고조파빔 모양과 변환 효율에 영향을 준다. 이런 인자는 다음을 포함하나 이에 제한되지 않는다:
i) 기본빔 횡단 모드 특성
ii) 기본빔 피크 파워
iii) 기본빔 스펙트럼 폭
iv) SHG 결정 속으로 초점 조건
v) THG 결정 속으로 초점 조건
vi) SHG 결정의 입력 각도 및 출력 각도
vii) THG 결정의 입력 각도 및 출력 각도
viii) SHG 결정의 길이
ix) THG 결정의 길이
x) SHG에서 포인팅 벡터 워크오프(poynting vector walkoff)
xi) THG에서 포인팅 벡터 워크오프
일반적으로 효과적인 변환 효율과 둥근 제 3 고조파빔을 발생시키는 것 사이에 교환이 존재한다. 효과적인 변환은 밀집된 빔 초점 및 긴 SHG 및 THG 결정을 요구하는 높은 빔 강도를 필요로 한다. 밀집된 초점과 긴 결정은 포인팅 벡터 워크오프의 효과를 약화시켜서, 워크오프 방향에서 빔을 신장시키고 변형시킨다. 또한 대략 30% 초과의 변환 효율에서 여기 고갈(pump depletion)은 빔 모양을 변형시킬 수 있고 변환 효율을 제한할 수 있다.
높은 강도의 영역은 낮은 강도의 영역보다 더 큰 비율의 파워를 고조파로 변환한다. 또한 결정에서 밀집된 초점은 결정면에서 높은 강도를 생산하며, 이는 이런 표면에서 엄청난 광학적 손상의 가능성을 증가시킨다. 이것은 특히 THG 결정의 출력 표면 상에서 문제가 되는데 이런 표면은 높은 강도의 제 3 고조파빔에 노출되기 때문이다.
본 발명은 최소의 광학적 구성요소에 의해 높은 단일-패스 변환 효율 및 작동 조건의 넓은 범위에 걸쳐 둥글고, 거의-회절 제한된 출력빔을 동시에 생산하는 혁신적인 광학 고조파 발생기 시스템을 기술한다.
본 발명의 양태는 전문이 참조로 본 발명에 포함된 미국특허 7,443,903, 미국특허 7,529,281, 미국특허 7,469,081 및 미국특허 8,009,705에 기술된 씨디드, 섬유 증폭기 소스에 의한 사용에 특히 적합하다.
광학적 고조파 발생기
도 2a는 본 발명의 양태에 따른 광학적 고조파 발생기(200)의 배치를 개략적으로 예시한다. 초점 렌즈는 입력 기본 복사에너지를 둥글고, 거의 회절 제한되며, M2<1.2 및 최소 비점수차를 가진 입력 기본빔(209)으로 초점을 모은다. 예를 들어, 비점수차는 10% 미만일 수 있다.
입력 기본빔(209)은 기본 초점 렌즈(203)에 의해 SHG 결정(202) 상에 초점이 모인다. SHG 결정(202)은 기본빔을 기본 복사에너지의 제 2 고조파에 상 일치시키도록 제작되고 배향된다. SHG 결정(202)의 입력 표면(204)은 배향되어 입력 기본빔(209)이 비스듬한 입사각(θi)으로 이 면에 입사되어 한 축에서 빔 크기를 팽창시킨다. 팽창비(R)는 표현 R = cos θi/cos θt에 의해 제공되며, θt는 투과 각도를 의미한다. 통상적으로, 이런 각도는 SHG 결정(202)의 입력 표면(204)에 대해 직각인 방향(즉 수직)에 대해 측정된다. 이런 각도는 스넬의 법칙 nisinθi = ntsinθt에 의해 설명되며, ni는 입사 매질의 굴절률이며(예를 들어, ni는 진공에 대해 1반사 계수 이며 공기에 대해 거의 1이다) nt는 SHG 결정(202)에 대한 굴절률이다.
도 3에 도시된 그래프는 대략적으로 LBO에 대한 굴절률인 1.6의 굴절률(nt)을 가진 재료에 대한 입사각(θi)의 함수로서 팽창비(R)를 곡선으로 나타낸다. 입사각(θi)은 브르스터 각도 θB = 아크탄젠트(nt/ni) 이거나 근처이도록 선택될 수 있다. 제한이 아닌 예로서, SHG 결정의 입력 표면은 입력 기본빔(209)에 대해 약 5도의 브르스터 각도 내 이도록 배열된다(즉, θi는 SHG 결정에 대해 약 5도의 브르스터 각도 내이다). 당업자에게 주지된 대로, 빛이 브르스터 각도(θi)로 계면 상에 입사될 때, 계면으로부터 반사된 빛은 s 편광된다(즉, 입사 평면에 직각인 방향으로 편광). 이것은 도 4에 나타낸 그래프에 도시된 대로 코팅되지 않은 표면에 대해 "p" 편광 입사광(즉, 입사면에 평행하게 편광된 빛)에 대한 편광 손실을 최소화한다. 입사각(θi)이 브르스터 각도로 선택되는 경우 팽창비(R)는 단순히 SHG 결정 굴절률, 예를 들어, LBO에 대해 대략 1.6이다.
SHG 결정(202)의 입력 표면(204)의 배향은 입력 표면(202)에서 빔의 팽창 방향이 SHG 결정(202)에서 비-워크오프 방향을 따라 배향되도록 선택된다.
비대칭 빔 팽창에 의해 기본빔에 제공된 비점수차는 기본빔 초점에 대응하는 SHG 결정(202)의 위치선정에 의해 쉽게 제어될 수 있다. 예를 들어, 입력 표면(204)이 허리(waist)에 정확하게 놓이는 경우, 팽창이 비점수차를 제공하지 않는다. 선택적으로, 허리가 SHG 결정(202) 속으로 이동하는 경우, 제공된 비점수차는 팽창되지 않은 방향의 허리보다 입력 표면으로부터 더 멀리 위치된 팽창 방향의 허리와 함께 단조롭게 증가할 것이다. SHG 결정(202) 전에 허리를 놓으면 반대 감각으로 비점수차를 제공할 것인데, 즉, 제공된 비점수차는 팽창된 방향의 허리보다 입력 표면으로부터 더 멀리 위치된 팽창되지 않은 방향의 허리와 함께 단조롭게 증가할 것이다.
중요한 점은 SHG 결정 입력 표면(204)에 대한 기본빔 허리의 위치의 간단한 조절에 의해 쉽게 제어될 수 있다는 것이다. 빔 허리의 조절은 팽창비에 적은 영향을 미친다. 팽창비는 주로 SHG 결정 입력 표면(204)에 대한 입력 기본빔(209)의 입사각(θi)에 의해 제어된다. 이런 각도는 결정 제작에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 각도는 SHG 결정의 통상적인 빔 허리 크기가 밀집된 초점 방향에서 약 60 마이크론 및 워크오프 방향에서 약 100 마이크론일 수 있도록 제어될 수 있다. 통상적인 팽창비는 1.5:1 내지 2.5:1의 범위에 있다.
잔여 기본빔(209') 및 제 2 고조파빔(도시되지 않음)은 출력 표면(206)에서 SHG 결정(202)을 떠난다. 이런 면은 공칭 직각 입사를 위해 조직되고 정렬될 수 있다. 정확한 입사각은 중요하지 않다. 출력 표면(206)은 빔이 역반사의 영향을 감소시키도록 직각에서 벗어난 몇 도일 수 있는 각도로 입사되도록 배향될 수 있다. SHG 결정(202)의 출력 표면(206)은 또한 역반사를 감소시키고 출력 파워를 최대화하도록 반사방지 코팅될 수 있다. 이 코팅은 나타나는 기본(209') 및 제 2 고조파빔 모두에서 낮은 반사율을 갖는 것이 유리할 수 있다.
기본 및 제 2 고조파빔은 중계 렌즈(205) 또는 일부 다른 광학 초점 요소(예를 들어, 초점 거울)를 통과하고 이에 의해 초점이 모일 수 있다. 초점 시스템은 제 2 고조파 결정의 빔 허리 프로파일이, 일부 정해진 배율로, 제 2 고조파 발생(THG) 결정(302)에서 복제되도록 유리하게 설계될 수 있다. 이를 성취하기 위한 적어도 2개의 가능한 방법이 존재한다. 한 방법은 단일 중계 렌즈(205)가 제 2 고조파 결정으로부터 나오는 빔의 원거리장에 있도록 위치된 단일 중계 렌즈(205)를 사용한다. 원거리장은 거리가 제 2 고조파 결정의 최대 허리에 상응하는 레일리 길이보다 약 5배 더 크다는 것을 암시한다. 예를 들어 제 2 고조파 결정의 최대 기본빔 허리 크기가 120 마이크론이고 파장이 1064nm인 경우, 레일리 길이는 대략 42.6mm이다. 따라서, 허리 대 중계 렌즈 분리 거리는 대략 200mm보다 커야한다. 배율은 대략적으로 1/f=1/d1 + 1/d2에 의해 제공된 렌즈의 두 면상에서 거리의 비일 것이며, f는 렌즈 초점 거리, d1은 렌즈와 제 2 고조파 결정에 있는 또는 근처에 있는 허리 사이의 거리이며, d2는 렌즈와 제 3 고조파 결정에 있는 또는 근처에 있는 허리 사이의 거리이다.
도 2b에 도시된 제 2 방법은 각각 초점 길이(f1 및 f2)의 제 1 및 제 2 렌즈(205A, 205B)를 사용한다. 제 1 렌즈(205A)는 제 2 고조파 결정의 허리로부터 대략 거리(f)에 위치된다. 제 2 렌즈(205B)는 제 1 렌즈(205A)로부터 대략 거리(f1+f2)에 위치된다. 제 2 렌즈(205B)에 의해 생산된 허리는 렌즈(2)로부터 거리(f2)일 것이다. 배율은 대략 f2/f1의 비일 것이다.
일부 실시예는 SHG 결절 출력 표면(206)이 THG 결정 입력 표면(304)에 충분히 가까운 경우 SHG 결정(202) 및 THG 결정(302) 사이에 중계 렌즈를 완전히 생략할 수 있다.
제 2 고조파빔 및 잔여 기본빔(209')의 초점은 THG 결정(302)에 있는 또는 근처에 있다. THG 결정(302)의 전면(304)은 공칭 직각 입사를 위해 제작되고 정렬될 수 있다. 다시, 정확한 입사각은 중요하지 않다. 또한 THG 결정(302)은 빔이 역반사의 영향을 감소시키도록 직각에서 벗어난 몇 도일 수 있도록 구성될 수 있다. THG 결정(302)의 전면은 역반사를 감소시키고 출력 파워를 최대화하도록 반사방지 코팅될 수 있다. 이런 코팅은 나타나는 기본 및 제 2 고조파 파장 모두에서 낮은 반사율을 갖는 것이 유리할 수 있다. 초점이 모아진 기본 점의 크기는 SHG 결정(202)의 초점이 모아진 기본 점의 크기와 유사하다.
THG 결정(302)은 제 3 고조파 발생을 위해 기본 및 제 2 고조파빔을 상 일치하도록 제작되고 배향된다. THG 결정(302)은 또한 피에테르세의 미국특허 5,835,513에 기술된 대로 기본 및 제 2 고조파빔이 결정을 가로지를 때 서로 "워크-온(walk-on)"되도록 배향될 수 있다. 이것이 THG 결정(302)의 기본 및 제 2 고조파빔의 겹침을 최대화하여 변환 효율을 최대화한다.
THG 결정(302)의 출력 표면(306)은 빔(209", 325)이 비스듬한 입사각으로 입사되도록 제작된다. 입사각은 다음 5개 기준을 사용하여 선택될 수 있다:
(i) 제 3 고조파의 반사는 적절하게 낮은, 예를 들어, 5% 미만이다.
(ii) 분산에 의한 각을 이루는 빔 분리는 충분하여 제 3 고조파는 기본 및 제 2 고조파빔으로부터 공간적으로 투과될 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 필터링을 위한 전형적인 기준은 빔들 사이의 각을 이루는 분리가 적어도 2배의 빔 발산인 것일 수 있다.
(iii) 제 3 고조파빔이 출력 표면을 통과하는 것을 경험하는 수축은 워크오프 및 비-워크오프 방향에서 대략 동일한 허리 크기를 생성할 수 있다.
(iv) 출력 표면에 의해 제공된 비점수차는 임의의 이전 빔 비점수차를 대략적으로 취소하도록 선택될 수 있어서, 현존하는 제 3 고조파빔의 명백한 허리 위치가 워크오프 및 비-워크오프 방향에서 대략적으로 동일하다.
(v) 출력 표면은 바람직하게는 광학 손상 및 생산력 장기지속 작업에 대항하여 강하다.
제한이 아닌 예로서, 대략적으로 브르스터 각도 입력을 가진 LBO SHG 결정 및 LBO THG 결정을 사용하는 제 3 고조파 발생기 광학적 레이아웃의 경우, 출력 표면은 제 3 고조파빔의 입사각이 20°이도록 배향될 수 있어서 상기 5개 기준을 만족한다. 구체적으로, 낮은 반사율 손실의 경우, 제 3 고조파빔은 대략 33°의 투과 각도로 결정을 빠져나올 수 있다. 코팅되지 않은 출력 표면의 경우 이것은 3.1%의 허용가능한 제 3 고조파 반사율을 제공한다. 충분한 각을 이루는 분리는 1064.2nm의 입력 기본 파장 및 35℃의 LBO 온도에 대해 성취될 수 있고; 기본, 제 2 고조파 및 제 3 고조파빔의 굴절률은 각각 대략 1.565, 1.613 및 1.597이다. THG 결정 출력 표면에 대한 분산은 다른 파장에 대한 투과된 각도의 차이 때문에 유리하게는 빔을 공간적으로 분리할 수 있다. 도 5는 THG 결정 출력 표면 상의 내부 입사각 대 두 빔의 절반 발산과 적어도 동일한 제 2 고조파빔으로부터의 제 3 고조파빔의 분리를 초래하는 THG 결정의 기본빔 허리 크기를 도표로 나타낸다.
THG 결정(302)으로부터 나오는 제 3 고조파빔(325)은 약 1 와트보다 큰, 약 10 와트보다 큰 또는 약 30 와트보다 큰 광학 파워를 가질 수 있다.
광학 손상에 대항하여 THG 결정(302)의 출력 표면을 강하게 만들기 위해 THG 결정의 출력 표면이 코팅되지 않을 수 있다. 윌리암 그로스만에 의해 미국특허 5,850,407에 기술된 대로 코팅되지 않은 출력 표면의 사용은 높은 손상 임계값을 제공한다.
요약하면 둥글고, 비-비점수차이며, 거의 회절 제한된 제 3 고조파빔은 다음을 가진 광학 렌즈를 사용하여 둥글고, 비-비점수차이며, 거의 회절 제한된 기본빔으로부터 효과적으로 발생될 수 있다:
i) 기본 입력빔을 SHG 결정 속으로 초점을 모으는 렌즈 또는 다른 광학 구성요소;
ii) 브르스터 또는 거의 브르스터 각인 SHG 입력 표면;
iii) SHG 및 THG 결정 사이의 중계 렌즈(또는 다른 광학 구성요소);
iv) SH의 거의 20°입사각 및 THG 입력 표면에서 잔여 기본빔.
상기 광학 레이아웃은 다음 이점을 가진다.
(1) 최적 효과를 제공하도록 비선형 결정에서 작은 빔 크기를 가능하게 한다.
(2) 워크오프 보상을 위한 특수 렌즈 또는 프리즘을 필요로 하지 않는다.
(3) SHG 결정 입력 표면에 대해 제 1 기본빔 허리의 위치를 조절함으로써 비점수차에 대한 조절 "손잡이"를 제공한다.
(4) 중계 렌즈 및 THG 결정 위치를 조절함으로써 진원도에 대한 조절 "손잡이"를 제공한다.
일반적으로, SHG 입력 표면(204)은 대략적으로 브르스터 각도일 수 있거나 파워 손실이 허용가능하도록 브르스터 각도에 충분하게 밀접할 수 있다. 예를 들어, 도 4로부터 볼 수 있듯이, SHG(204) 입력 표면에서 p-편광에 대한 반사 손실은 SHG 입력 표면에서 입사각이 대략 θB-20°내지 θB+10°인 경우 약 2% 이하로 유지될 수 있다. 도 4는 또한 THG 출력 표면(306)에서 반사 손실을 측정하는데 사용될 수 있다. 이런 경우에, 적절한 각도는 THG 출력 표면에서 굴절 각도, 즉, THG 출력빔(325)과 THG 출력 표면(306)에 대한 수직선 사이의 각도일 수 있다.
본 발명의 특정 양태를 이해하는 것을 돕기 위해서, 도 6에 도시된 4개의 도식은 광학 고조파 발생기(200)에서 다양한 위치에 빔의 형태 변화를 예시한다. 특히, 도식 1에서, 기본빔(209)은 회전하기 시작한다. 그런 후에 도식 2에서 기본빔은 SHG 결정(202)의 입력 표면(204)에서 비-워크오프 방향으로 팽창된다. 팽창은 SHG 결정(202)에서 워크오프 방향에 대해 직각으로 배향되는 타원 빔 단면을 형성한다. THG 결정(302)은 도식 3에 도시된 형태를 가진 제 3 고조파빔(325)을 생성한다. 이 형태는 기본빔이 도식 2에서 타원이었던 것만큼 타원이 아닌데, 이는 형태가 워크오프 방향으로 늘어났기 때문이다. 그런 후에 제 3 고조파빔(325)은 둥근 빔을 얻기 위해, 도 4에 도시된 대로, 비-워크오프 방향으로 압착될 필요가 있다. 위에서 논의한 대로 압착은 THG 결정의 출력 표면에서 일어날 수 있다. 축소는 기본빔의 팽창보다 적어야 하는데, 이는 제 3 고조파빔(325)이 기본빔(209)이 타원이었던 것보다 덜 타원이기 때문이다. 결과적으로, SHG 결정의 입력 표면에서 팽창은 THG 결정(302)의 출력 표면에서 후속 축소를 초과한다.
선택적 실시태양
첫 번째 선택적 실시태양은 SHG 결정(202)에 대한 입사각을 증가시키는 것이며 그 결과 입사각은 브르스터 각도보다 크다. SHG(202)의 입력 표면(204)은 어떠한 역반사도 감소시키고 효율을 개선할 수 있도록 코팅될 수 있다. 둥글고, 거의-회절 제한된 제 3 고조파는 THG 결정(302)을 사용하여 얻을 수 있어서 이의 출력 표면은 브르스터 각도에 배향되거나 근처에 배향된다.
하나의 선택적 실시태양에서, 한 쌍의 프리즘이 SHG 결정(302) 앞에 빔의 어느 곳에 위치될 수 있고 이들의 제작 각도 및 정렬은 SHG 결정(202)에서 원하는 타원성과 비점수차를 얻도록 선택될 수 있다.
다른 선택적 실시태양은 제 3 고조파 발생 이외의 더 높은 고조파 발생(HHG)을 위해 본 발명에 기술된 광학적 디자인을 사용하는 것이다. 예를 들어, 제 4 고조파 버전이 실행될 수 있다. 이런 한 실시태양의 한 버전은 2개의 비선형 결정을 사용할 수 있다. 제 1 비선형 결정은 기본 복사에너지를 제 2 고조파로 변환하며 제 2 비선형 결정은 제 2 고조파를 제 4 고조파로 변환한다. 1064nm이거나 근처인 기본 파장의 경우 LBO 결정이 SHG 결정에 대해 사용될 수 있고 붕산 바륨(BBO) 결정이 FHG 결정에 대해 사용될 수 있다.
제 2 버전은 기본 복사에너지를 제 4 고조파 복사에너지로 변환하기 위해 3개의 비선형 결정을 사용할 수 있다. 구체적으로, 제 1 결정이 기본 복사에너지의 일부를 제 2 고조파로 변환하는데 사용될 수 있다. 제 2 결정은 제 2 고조파를 잔여 기본 복사에너지와 혼합하여 제 3 고조파를 생성한다. 제 3 결정은 제 3 고조파를 잔여 기본 복사에너지와 혼합하여 제 4 고조파를 생성한다. 1064nm이거나 근처인 기본 파장의 경우 적절하게 배향된 LBO 결정이 모든 고조파 변환 단계에서 사용될 수 있다.
제 1 또는 제 2 버전에서, 제 3 또는 제 4 고조파빔을 전송하는 모든 표면은 고조파빔을 위해 코팅되지 않을 수 있고 브르스터 각도로 배향되거나 또는 브르스터 각도보다 작게 배향될 수 있다.
본 발명의 양태는 단일 원통형 렌즈 및 가우시안 광학 원리를 사용하여 빔 형태의 간단한 조절을 제공한다. 렌즈는 비선형 결정에 가깝게 위치될 수 있어서 주요 하드웨어 구성요소를 재설계하지 않고 특정 광학 시스템에서 이미 존재하는 공간 제약을 극복한다.
제안된 시스템의 이점은 제 3 고조파 및 둥근 출력 빔에 대한 높은 변환 효율을 포함한다. 이런 시스템은 LBO 및 BBO 비선형 결정 모두와 작동할 수 있다. 이 시스템은 제 3 고조파 결정에 대한 높은 손상 임계값을 특징으로 한다. 또한, 시스템은 임의의 표면 투과성 UV에 대해 UV 빔 형성 광학 및 코팅을 사용하지 않아서 높은 신뢰성과 긴 수명의 시스템을 제공한다.
제 3 고조파 빔은 제 3 고조파 발생기 결정 출력면에서 분산에 의해 기본 및 제 2 고조파 빔으로부터 쉽게 분리된다. 이 시스템은 설계-조절가능한 빔 둥글기 및 정렬-조절가능한 비점수차를 제공할 수 있다. 시스템은 최소 광학 구성요소 및 최소 원통 광학 또는 프리즘을 필요로 하거나 원통 광학 또는 프리즘을 필요로 하지 않는다.
레이저 시스템
도 6은 본 발명의 한 실시태양에 따른 파장-변환 레이저 시스템(600)의 한 예이다. 구체적으로, 시스템(600)은 일반적으로 씨드 소스(602), 하나 이상의 광학 증폭기(604, 606) 및 파장 변환기(100)를 포함하며, 도 2a, 도 2b에 대해 본 발명에 기술한 대로 구성될 수 있거나 상기한 다른 구성 중 임의의 것으로 구성될 수 있다. 씨드 소스(602)는 씨드 복사에너지(601)를 생산하며, 이는 파장 변환기를 위한 기본 입력 복사에너지(101)로서 작용하는 증폭된 출력을 생산하도록 광학 증폭기(604, 606)에 의해 증폭된다. 파장 변환기(100)는 증폭된 출력의 적어도 일부를 변환하여 파장 변환 출력을 생산한다. 기본 입력빔의 일부는 또한 파장 변환기(100)로부터 나타날 수 있다.
씨드 소스(602)를 위한 여러 다른 가능한 디자인이 존재한다. 예를 들어, 씨드 소스(602)는 다이오드를 통해 전류를 통과시킴으로써 에너지가 공급된 다이오드 레이저일 수 있다. 분포 브래그 반사기(DBR), 분포 피드백(DFB) 또는 패브리-페로 레이저 다이오드와 같은 다양한 형태의 레이저 다이오드가 사용될 수 있다. 상업적으로 구입가능한 DBR의 한 예는 독일, 마르브르그의 Sacher Lasertechink Group으로부터의 모델 DBR-1064-100이다. 선택적으로, 씨드 소스(602)는 다이오프-에너지 공급 고체상(DPSS) 레이저일 수 있고, 이는 수동적으로 Q-스위치되고, 모드-잠금되거나 연속파(CW) 또는 준-CW를 방출할 수 있다. 다른 형태의 레이저는 씨드 소스(602)로서 선택적으로 사용될 수 있다.
광학 증폭기는 하나 이상의 증폭기 장치(604, 606)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학 선-증폭기(604)는 선택적으로 씨스 소스(602)와 파워 증폭기(606) 사이에 연속으로 연결될 수 있다. 선-증폭기(604)는 씨드 복사에너지(602)를 증폭하여 중간 신호(605)를 생산할 수 있으며, 이는 기본 입력빔(101)을 형성하는 증폭된 출력을 생산하도록 파워 증폭기(606)에 의해 증폭된다. 증폭기(604, 606)는 선택적으로 출력 섬유(608)에 연결된다. 기본 입력빔(101)은 섬유(608)의 말단 표면으로부터 나타난다.
예를 들어, 증폭기(604, 606)의 하나 이상은 펌핑 소스(603, 607)에 연결된 광학 섬유를 포함하는 섬유 증폭기일 수 있다. 광학 섬유는 일반적으로 클래딩 또는 도핑 코어를 포함할 수 있다. 섬유의 코어는, 예를 들어, 지름이 약 6 마이크론일 수 있다. 섬유는 편광 유지 섬유 또는 단일 편광 섬유일 수 있다. 증폭기(606)의 하나의 일부는 출력 섬유(608)를 형성할 수 있다. 증폭될 입력 복사에너지(예를 들어, 씨드 복사에너지(601) 또는 중간 복사에너지(605))는 코어에 연결된다. 펌핑 소스(603, 607)(예를 들어, 다이오드 레이저)로부터의 펌핑 복사에너지는 또한 통상적으로 코어에 연결되나, 선택적으로 클래딩에 연결될 수 있다. 섬유의 코어에서, 도펀트 원자, 예를 들어, 이티븀(Yb), 에르븀(Er), 네오디뮴(Nd), 홀뮴(Ho), 사마륨(Sm) 및 툴륨(Tm) 또는 이들의 둘 이상의 조합과 같은 희토류 원소는 펌핑 복사에너지로부터 에너지를 흡수한다. 흡수된 에너지는 섬유의 코어에서 입력 복사에너지의 에너지를 증폭한다. 입력 복사에너지는 도펀트 원자로부터의 복사에너지의 방출을 자극한다. 자극된 복사에너지는 입력 복사에너지와 동일한 주파수와 상을 가진다. 결과는 입력 복사에너지와 동일한 주파수와 상을 가지나 더 큰 광학 강도를 가진 증폭된 출력이다.
컨트롤러(610)는 씨드 소스(602) 및/또는 펌프 소스(603, 607)에 작동가능하게 연결될 수 있다. 컨트롤러(610)는 씨드 복사에너지(601) 또는 펌프 소스(603, 607)에 의해 제공된 펌프 복사에너지의 파워를 제어하도록 만들어진 하드웨어 또는 소프트웨어 로직을 실행할 수 있다. 씨드 소스로부터의 씨드 복사에너지(601) 및/또는 펌프 소스(603 및 607)로부터의 펌프 복사에너지의 파워를 조절함으로써, 컨트롤러(610)는 파장 변환기(100)에 제공된 입력빔(101)의 광학 파워를 제어한다.
파장 변환기(100)는 제 1 및 제 2 비선형 광학 결정(102, 104) 및 렌즈(110, 112)를 포함할 수 있으며, 상기한 대로 구성될 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 제 1 비선형 결정(102)은 결정(102)과 입력 기본 복사에너지(101) 사이의 비선형 상호작용으로부터 제 2 고조파빔 출력을 생산하는 SHG 결정일 수 있다.
THG 결정은 SHG 결정(102)으로부터의 SHG 출력빔과 SHG 결정으로부터의 잔여 기본빔 사이의 합-주파수 상호작용을 통해 제 3 고조파 복사에너지를 생산한다. 제 3 고조파 복사에너지는 파장 변환 출력(111)으로서 THG 결정으로부터 나타난다. 일부 남은 입력 복사에너지(101')는 또한 제 2 결정(104)으로부터 나타날 수 있다. THG 결정은 제 2 결정으로부터 나타나는 잔여 기본 복사에너지로부터 파장 변환 출력(111)을 분리하는 브르스터-절단 표면(106)을 포함할 수 있다.
상기한 것은 본 발명의 바람직한 실시태양의 완벽한 설명인 반면, 다양한 대안물, 변형물 및 등가물을 사용하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명을 참조하여 결정되지 않아야 하며 대신에 첨부된 청구항을 참조하여, 등가물의 전체 범위와 함께 결정되어야 한다. 바람직하건 바람직하지 않던 본 발명에 기술된 임의의 특징은 바람직하건 바람직하지 않던 본 발명에 기술된 임의의 다른 특징과 결합될 수 있다. 다음 청구항에서, 부정관사("A" 또는 "An")는 달리 명백하게 언급한 경우를 제외하고, 관사 다음의 항목의 하나 이상의 양을 의미한다. 첨부된 청구항은 이런 제한이 문구 "하기 위한 수단"를 사용하여 소정의 청구항에서 명백하게 언급되지 않는 한, 수단 플러스 기능 제한을 포함하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

Claims (11)

  1. 근소하게 둥글고, 비점수차가 아닌, 회절 제한 입력 기본빔으로부터 둥글고, 비점수차가 아닌 제 3 고조파 출력빔을 생산하도록 구성된 추가 공동 고조파 발생기 시스템으로서,
    입력 기본빔에 대한 입사각에 배향된 입력 표면을 가진 제 2 고조파 발생(SHG) 결정;
    THG 결정에 대한 비-워크오프 방향에서 비스듬한 입사각에 배향된 출력 표면을 가져서 제 3 고조파빔 크기는 이 방향에서 축소되는 제 3 고조파 발생(THG) 결정;을 포함하며,
    기본빔 크기는 입력 표면에서 SHG 결정에 대한 비-워크오프 방향에서 확대되며, SHG 결정은 입력 기본빔으로부터 제 2 고조파빔을 발생시키도록 구성되며,
    THG 결정은 제 2 고조파빔으로부터 제 3 고조파빔을 발생시키고 SHG 결정으로부터 잔여 기본빔을 발생시키도록 구성되며,
    SHG 결정의 입력 표면에서 입력 기본빔의 확대는 THG 결정의 출력 표면에서 제 3 고조파빔의 축소를 초과하는 추가 공동 고조파 발생기 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    SHG 결정의 입력 표면은 입력 표면에서 SHG 결정의 비-워크오프 방향에서 기본빔을 팽창시키기 위해 기본 입력빔에 대한 비스듬한 입사각에 배향되는 추가 공동 고조파 발생기 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    THG 결정의 출력 표면은 제 3 고조파빔에 대해 브르스터 각도보다 적은 각도로 배향되는 추가 공동 고조파 발생기 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제 3 고조파빔은 빔의 각 분산보다 큰 각에 의해 기본 및 제 2 고조파빔으로부터 각이 있게 분리되는 추가 공동 고조파 발생기 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제 2 고조파빔의 평균 파워는 30W보다 큰 추가 공동 고조파 발생기 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    SHG 결정의 입력 표면은 입력 기본빔에 대해 5도의 브르스터 각도 내에 배향되는 추가 공동 고조파 발생기 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    THG 결정의 출력 표면은 잔여 기본 및 제 2 고조파빔에 대해 20도 입사각에 배향되며 여기서 잔여 기본 및 제 2 고조파빔은 THG 결정의 출력 표면에 입사되는 추가 공동 고조파 발생기 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    THG 결정의 출력 표면은 잔여 기본 및 제 2 고조파빔에 대한 입사각에 배향되며 여기서 잔여 기본 및 제 2 고조파빔은 THG 결정의 출력 표면에 입사되고, 입사각은 기본빔의 제 3 고조파 복사에너지로의 총 전환 효율을 최적하도록 선택되는 추가 공동 고조파 발생기 시스템.
  9. 근소하게 둥글고, 비점수차가 아닌, 회절 제한 입력 기본빔으로부터 둥글고, 비점수차가 아닌 제 3 고조파 출력빔을 생산하도록 구성된 추가 공동 고조파 발생기 시스템으로서,
    입력 기본빔에 대한 입사각에 배향된 입력 표면을 가진 제 2 고조파 발생(SHG) 결정;
    HHG 결정들의 적어도 하나에 대한 비-워크오프 방향에서 비스듬한 입사각에 배향된 출력 표면을 가져서 더 높은 출력빔 크기는 이 방향에서 축소되는 하나 이상의 더 높은 고조파 발생(HHG) 결정;을 포함하며,
    기본빔 크기는 입력 표면에서 SHG 결정에 대한 비-워크오프 방향에서 확대되며, SHG 결정은 입력 기본빔으로부터 제 2 고조파빔을 발생시키도록 구성되며,
    하나 이상의 HHG 결정은 제 2 고조파빔으로부터 더 높은 고조파빔을 발생시키고 SHG 결정으로부터 잔여 기본빔을 발생시키도록 구성되며,
    SHG 결정의 입력 표면에서 입력 기본빔의 확대는 하나 이상의 HHG 결정의 적어도 하나의 출력 표면에서 제 3 고조파빔의 축소를 초과하는 추가 공동 고조파 발생기 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    하나 이상의 HHG 결정은 제 2 고조파빔으로부터 제 3 고조파빔을 발생시키고 SHG 결정으로부터 제 1 잔여 기본빔을 발생시키도록 구성된 THG 결정 및 제 3 고조파빔으로부터 제 4 고조파빔을 발생시키고 THG 결정으로부터 제 2 잔여 기본빔을 발생시키도록 구성된 제 4 (FHG) 고조파 발생 결정을 포함하는 추가 공동 고조파 발생기 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    하나 이상의 HHG 결정은 제 2 고조파빔으로부터 제 4 고조파빔을 발생시키도록 구성된 비선형 결정을 포함하는 추가 공동 고조파 발생기 시스템.
KR1020157029432A 2013-03-14 2014-03-13 둥근 출력빔을 가진 고효율, 단일-패스, 고조파 발생기 KR102100728B1 (ko)

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